啤酒厂污水处理车间沼气的利用
时间：2009-6-16 作者：代 高 文章来源：中国酿酒饮料机械专业网
麒麟啤酒（珠海）有限公司在新工厂污水处理车间设计招标时，选择了既保护环境同时又能给公司创造更多经济效益的工艺方案。
概况
近年来随着我国人均消费水平的提高，国内的啤酒消费量不断增加，各大啤酒生产厂家纷纷扩建或新建啤酒厂。基于市场的需要，麒麟啤酒（珠海）有限公司在2006年开始筹建一个年产20万千升啤酒的新工厂，本着“生产高品质生啤的充满清洁感的节能型新工厂”的宗旨，通过精心设计和施工，工厂于2007年建成投产。
啤酒厂最大的污染是废水排放，平均每生产1千升啤酒就会产生近5吨的废水，这些废水主要含糖类和醇类等有机物。有机物浓度较高，无毒，但排入水体要消耗大量的溶解氧，对水体环境造成严重危害。国内啤酒厂废水中CODcr含量一般在1000 mg/L～2500mg/L，BOD5含量为600 mg/L～1500 mg/L，具有较高的生物可降解性。
企业本着高度的社会责任感，在新工厂污水处理车间设计招标时，就提出了不仅要达到GB19821-2005 《啤酒工业污染物排放标准》，更要达到广东省地方标准DB4426-1989 《水污染物排放标准》中的一级标准。在此前提下，污水处理采用厌氧+好氧的模式几乎是唯一的选择。在污水的厌氧处理过程中，会产生出大量的沼气，早先的处理方式几乎全部采用火炬高点燃烧放空，不仅巨大的热量被浪费，而且未经脱硫处理的沼气燃烧后产生的SO2对空气也造成了污染。选择一种环境友好，同时又能给公司创造最大收益的处理方法，是摆在我们面前的一个课题。
一、污水处理工艺
通过比较论证，新工厂的污水处理选用了厌氧IC反应器+好氧活性污泥法+砂滤的处理工艺。其基本流程为：
集水井→粗格栅→细格栅→均衡池→预酸化池→IC反应塔→兼氧池→曝气池→二沉池→砂滤→排水明渠。
厌氧处理的核心IC反应塔含有上下两个类似于UASB的反应室。其中一个负荷高，一个负荷低，它的特点是沼气在整个反应器中分两个阶段进行分离。在第一阶段收集的气体驱动气流上升，并形成内部循环流，故此给这种反应器起名为内循环反应器。
该工艺具有效率高、运行成本低、抗冲击负荷能力强的优点。经过处理后的废水，远远超过国家一级排放标准，被大量用于新工厂的清洁、绿化和锅炉柴油储罐的降温，甚至被用于污水处理车间饲养金鱼。
麒麟啤酒新工厂污水处理系统的设计最大能力为：6000m3/d，COD 3000。正常生产情况下，平均污水处理量为1,000,000 m3/y，COD 2000左右。在IC反映塔中，大约75%的COD被生物降解转化为甲烷，理论上，每去除1kg COD，产生0.35m3的CH4，由于沼气中甲烷的含量在70%左右，所以，每年可以产生75万Nm3的沼气。根据以往的经验，沼气的燃烧值在6500kcal/Nm3左右。
二、沼气利用方法
近年来新建的啤酒厂，几乎全部采用了厌氧+好氧的污水处理工艺，厌氧的处理过程中会产生大量的沼气。因为沼气的主要成分甲烷是一种温室气体，国家明令禁止直接排放，所以对于沼气的处理和利用，已经不单单涉及到经济效益问题，而是上升到了环境保护问题的高度。不同的啤酒厂对沼气的处理方法不尽相同，大致有以下几类：
1.副产沼气用于内燃机发电； 2.副产沼气用于燃料电池发电； 3.副产沼气用于大型燃煤锅炉的助燃； 4.副产沼气用小型锅炉生产蒸汽； 5.少数企业采用火炬高点燃烧放空。
在我们新工厂的设计过程中，也有几种不同的意见，大部分的人倾向于将沼气用于内燃机发电，最终采用哪种利用方法，我们就各种方案的投资和收益状况进行了调查和分析。
三、沼气用于内燃机发电
本世纪来，国内许多的设备制造厂家已经推出了一系列的内燃机，可以使用像污水沼气这样的低压低热值气体来发电，每立方米沼气大约可以产生1.8KWH～2KWH的电能，发电装置热效率约为30%～35%，内燃机的高温尾气热量还可以进行回收，副产低压蒸汽、热水或用于空调机组。
沼气用于发电的基本流程为：
厌氧反应器→沼气储罐→增压风机→脱硫→脱水→计量→阻火器→发电机组
该技术已成熟并工业化，在部分啤酒厂已经有安装投入使用的实例。建设两套100KWH的发电机组总投资约120万元。
如果我们采用本方案，预期总收益计算如下：
总沼气气量： 750,000 Nm3/a 发电效能： 2 KWH/ Nm3 电单价： 0.68元/ KWH 年收益： 1,020,000元
四、沼气用于燃料电池发电
截至2000年为止，全球市场上已经有近千台工业化的燃料电池投入测试运行，燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以惊人的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。
目前已经投入运行的以天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%～65%，而且还可提供优质余热用于联合循环发电，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时,燃料利用率可以高达80%以上。在麒麟公司日本的一家工厂里，使用了利用沼气为燃料的熔融碳酸盐燃料电池系统，综合热效率达到了72%以上（发电效率47%以上、废热回收效率25%以上）。
按照以上数据，我们每年可以获得的电量为：750,000Nm3×6500kcal/Nm3×4.2×47%÷3600=2,673,125KWH年收益： 1,817,725元。但燃料电池发电装置还处于发展阶段，不能做到工业化、市场化和标准化，初期的投资也十分的庞大，当年的报价超过2万元/KW。
五、沼气用作锅炉燃料
上世纪90年代后期，因为沼气发电的技术还不十分成熟，也有一些公司采用了将沼气送入燃煤锅炉燃烧的方法来回收能源。这种方法只需要在现有的锅炉炉膛中增加一套燃烧装置，再对锅炉进行一些调整就可以了。投资很少，但经济效益依然十分可观，计算如下： 燃煤发热值：5200 kcal/kg 燃煤价格：600元/吨 年收益：750,000Nm3×6500kcal / Nm3×600 / 600元/吨（5200kcal /kg×1000）=562,500元
我公司所在的珠海市是一个环境美丽的旅游城市，被誉为“最适合居住的城市”，1998年，珠海市还荣获“联合国改善居住环境最佳范例奖”。为了保证空气的质量，珠海市政府禁止在辖区内新增任何使用煤炭、重油和秸秆的锅炉，在没有管道天然气和石油气供应的情况下，使用0#柴油成为公司唯一的选择。根据啤酒厂蒸汽用量波动大的特点，新工厂锅炉车间采用了安装20台1.7吨小型贯流式锅炉的配置。
如果将沼气用于锅炉燃烧，相关计算如下： 沼气总燃烧值： 6500×750,000=4.875×109 kcal 沼气锅炉热效率： 93% 燃油锅炉热效率： 93% 柴油燃烧值： 10,200 kcal/kg 折合柴油数量： 478 Ton 柴油价格 4800 元/吨 年收益： 2,294,400 元
使用低热值沼气的工业锅炉装置已经是十分成熟的工业技术，为我们提供燃油锅炉的三浦公司也生产同规格的低压燃气锅炉，二者安装尺寸和外形基本一致，能够使用同一个台数控制器进行联动控制，并将沼气锅炉设定为优先启动，能够保证最大限度的利用沼气，减低柴油的消耗。增加两台1.7吨的燃气锅炉，包括电气控制和管路系统在内，投资仅为60万元左右。以上三种方式比较见表1。表1. 内燃机发电 燃料电池 锅炉燃料 沼气储罐 需要 需要 需要 沼气脱硫 需要 需要 需要 沼气脱水 需要 不需要 不需要 主要设备 2×100KW内燃发电机 2×200KW燃料电池 2×1.7吨锅炉 投资概算 120万元 800万元 60万元 年收益 102万元 182万元 229万元 运行、维护费用 高 中 低
将沼气作为锅炉燃料用于生产蒸汽，从而降低柴油消耗的方案，因为其投资回收快，设备、工艺技术成熟，运行维护简单，不需要额外的厂房等众多优点，成为我们最终的选择。六、实际运行2007年夏季，新工厂投入运行，污水处理系统经过2个月的生物启动后，开始稳定的产出沼气，实测沼气的主要成分如表2。表2. 单位 脱硫前 脱硫后CH4 % 60.34 73.33CO2 % 8.33 5.92O2 % 6.26 7.92N2 % 25.07 12.83H2 ppm 25 23H2S ppm 480 26燃烧值 kcal/Nm3 6357 至今为止，整个系统运行稳定，仅发生过一次故障，原因为：沼气增压风机进口带水，导致轴承损坏。在更换轴承后，我们又在风机的入口增加了一条自动排水管道，彻底解决了这个问题。2008年，新工厂试运行实际啤酒产量不高，沼气产量没有达到设计的数据，同时2008年的0#柴油价格暴涨，全年平均柴油价格超过6800元/吨，但我们的实际收益依然非常可观。表3是2008年的沼气实际使用数据。表3. 柴油用量 沼气用量 折合柴油 油价 沼气收益单位 L min L 元/吨 元1月 365785 5969 13828 6730 78,6392月 212224 2560 5931 6430 32,2233月 267722 4735 10969 6520 60,4354月 309400 7134 16527 6470 90,3565月 368888 10800 25020 7300 154,3366月 340776 11319 26222 7990 177,0427月 353757 11090 25692 7990 173,4608月 353016 10514 24357 7600 156,4239月 302817 10078 23347 7380 145,59710月 271692 6096 14122 7030 83,89211月 246985 5994 13886 5800 68,05612月 245885 4443 10293 5150 44,792合计 3638948 90732 210196 1,265,250七、综述维护我们周围环境的碧水蓝天是每个企业人的义务，充分利用每一份资源不仅能够保护环境，也能给企业带来巨大的经济效益。在林林总总的节能方案中，企业要根据自身的具体情况进行分析，选择最适合自己的工艺方案。作者单位：麒麟啤酒（珠海）有限公司